超强、超硬、耐高温结构陶瓷材料结构与性能
陶瓷的分类及性能
陶瓷材料的力学性能陶瓷材料陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。
金属：金属键高分子：共价键（主价键）范德瓦尔键（次价键）陶瓷：离子键和共价键。
普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。
工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。
工程陶瓷的性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。
硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。
常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。
一、陶瓷材料的结构和显微组织1、结构特点陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。
可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。
如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料”2、显微组织晶体相，玻璃相，气相晶界、夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。
（可通过热处理改善材料的力学性能）陶瓷的分类玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃陶瓷—普通陶瓷日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔……特种陶瓷-电容器，压电，磁性，电光，高温……金属陶瓷--结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工……玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷…2.陶瓷的生产(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）特种陶瓷（人工的化学或化工原料--- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形）(3)烧成或烧结3. 陶瓷的性能(1)硬度是各类材料中最高的。
（高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)刚度是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢MN/m2)(3)强度理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。
2 （E/1000--E/100）。
超高温陶瓷标准
超高温陶瓷标准
超高温陶瓷（Ultra-High Temperature Ceramics，简称UHTCs）是一类具有出色耐高温性能的陶瓷材料。
通常，超高温陶瓷的使用温
度范围可以达到2000℃以上。
超高温陶瓷具有以下特点和性能：
1. 高温稳定性：超高温陶瓷在极高温度下具有良好的热稳定性
和化学稳定性，不易熔化、氧化或发生化学反应。
2. 强度和硬度：超高温陶瓷通常具有极高的强度和硬度，能够
耐受高温下的机械应力和磨损。
3. 低热膨胀：超高温陶瓷的热膨胀系数较低，使其能够在高温
环境下保持结构的稳定性。
4. 导热性：超高温陶瓷通常是优良的导热体，能够有效地将热
量传导到外部环境。
超高温陶瓷尚未有统一的国际标准，但各个国家和国际组织都有
自己的测试和评估标准。
例如，美国国家航空航天局（NASA）制定了
一系列用于评估超高温陶瓷性能的测试标准，包括高温抗氧化性能测试、热膨胀系数测定等。
此外，欧洲陶瓷学会（European Ceramic Society）也提供了一些测试方法和标准来评估超高温陶瓷的性能。
虽然还没有统一的标准，但超高温陶瓷的性能评估一般包括以下
方面：高温稳定性、热膨胀系数、机械性能、导热性、抗氧化性能等。
通过评估这些性能指标，可以确定超高温陶瓷在特定高温应用中的适
用性和可靠性。
先进陶瓷材料培训课件：结构陶瓷的力学性能、热学性能、抗热震性、陶瓷材料的断裂过程
的关系符合Hall-Petch关系式：
b ＝ o ＋kd-1/2
(1-6)
式中o为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径。从
上式可以看出，细晶组织对提高材料的室温强度有利无害，而
晶界相的性质与厚度、晶粒形状对强度的影响则较为复杂。
温度 陶瓷材料的一个显著特点是高温强度比金属高很多。
当温度T<0.5Tm时，基本保持不变；当温度高于0.5Tm时，才出
高性能结构陶瓷是指具有高强度、高韧性、高硬度、耐 高温、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等优异性能的一类先 进的结构陶瓷，已逐步成为航天航空、新能源、电子信息、汽
车、冶金、化工等工业技术领域不可缺少的关键材料。
根据材料的化学组成，高性能结构陶瓷又可分为: 氧化物陶瓷（如Al2O3、ZrO2）、 氮化物陶瓷（如Si3N4、AlN）、 碳化物陶瓷（如SiC、TiC）、 硼化物陶瓷（如TiB2、ZrB2）、 硅化物陶瓷（如MoSi2） 及其他新型结构陶瓷（如Cf/SiC复合材料）。
1.2 高性能陶瓷的基本特性
陶瓷材料的特性主要由其化学键、晶体结构以及晶体缺陷 等决定。从晶体结构看，陶瓷材料的原子间结合力主要为离子 键、共价键或离子–共价混合键。这些化学键不仅结合强度高， 而且还具有方向性。
晶体缺陷（特别是线缺陷和位错）可以在晶体中运动，位 错沿最密排面、最密排方向运动所需的临界切应力很小。这种 位错的大量运动，使晶面产生明显的滑移现象，并产生宏观塑 性变形。
研究结果表明，陶瓷超塑性与金属超塑性的不同点如下： (1) 超塑性陶瓷的应变速率和应力之间既没有金属超塑性那 样的依赖关系，也无单一的 n 值。 (2) 当存在晶间玻璃相时，陶瓷的 n 值几乎随玻璃相增加而 减小；而超塑性金属的n值几乎随初始晶粒尺寸增大而减小。
氮化物
• 除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应(反应 方程式：Si3N4+12HF═3SiF4↑+4NH3↑， 抗腐蚀能力强
应用
• 氮化硅用做高级耐火材料，如与sic结合作 SI3N4-SIC耐火材料用于高炉炉身等部位； 如与BN结合作SI3N4-BN材料，用于水平连 铸分离环。SI3N4-BN系水平连铸分离环是 一种细结构陶瓷材料，结构均匀，具有高 的机械强度。耐热冲击性好，又不会被钢 液湿润，符合连珠的工艺要求
• 在治金工业，由于氮化硅陶瓷耐高温，摩 擦系数小，具有自润滑性。对多数金属、 合金溶液稳定，因此，可制作金属材料加 工的工模具，如拨菅芯棒、挤压、拨丝模 具，轧辊、传送辊、发热体夹具、热偶套 营、金属热处理支承件、坩埚，铝液导营、 铝包内衬等
氮化硅制品的生产工艺
• 氮化硅制品按工艺可以分为反应烧结制品、热压 制品、常压烧结制品、等静压烧结制品和反应重 烧制品等。其中，反应烧结是一种常用的生产氮 化硅耐火制品的方法 • 反应烧结法生产氮化硅制品是将磨细的硅粉（粒 度一般小于80μm），用机压或等静压成型，坯体 干燥后，在氮气中加热至1350～1400℃，在烧成 过程中同时氮化而制得。采用这种生产方法，原 料条件和烧成工艺及气氛条件对制品的性能有很 大的影响
• 氮化硅 - 性质 化学式Si3N4。白色粉状晶 体;熔点1900℃,密度3.44克/厘米(20℃)；有 两种变体：α型为六方密堆积结构；β型为 似晶石结构。氮化硅有杂质或过量硅时呈 灰色
• 氮化硅与水几乎不发生作用；在浓强酸溶 液中缓慢水解生成铵盐和二氧化硅；易溶 于氢氟酸，与稀酸不起作用。浓强碱溶液 能缓慢腐蚀氮化硅，熔融的强碱能很快使 氮化硅转变为硅酸盐和氨。氮化硅在 600℃ 以上能使过渡金属（见过渡元素）氧化物、 氧化铅、氧化锌和二氧化锡等还原,并放出 氧化氮和二氧化氮。1285℃ 时氮化硅与二 氮化三钙Ca3N2发生以下反应 Ca3N2+Si3N4─→3CaSiN2
陶瓷材料的力学性能特点
陶瓷材料的力学性能特点
陶瓷材料是一类使用广泛的非金属材料，具有许多独特的力学性能特点。
相较于金属材料，陶瓷材料的硬度更高、耐磨性更好，但同时也具有脆性大、抗张强度低等特点，这使得陶瓷材料在工程应用中具有独特的优势和局限性。
强度和硬度
陶瓷材料的强度主要是指其破坏前的抗压、抗弯等性能。
一般而言，陶瓷材料的强度很高，具有很好的抗压性能，可以承受较大的外部压力。
而陶瓷材料的硬度通常也比较高，能够抵抗表面的划伤和磨损。
脆性
然而，陶瓷材料的脆性也是其在工程应用中需要考虑的重要问题。
陶瓷材料的断裂韧性很差，一旦受到较大冲击或弯曲力，则容易发生破裂。
这种脆性特点使得在设计和制造过程中需要特别小心处理，避免在使用过程中出现意外的破损情况。
热稳定性
另外，陶瓷材料还具有较好的耐高温性能，能够在高温下保持稳定的物理性质和力学性能。
这种热稳定性使得陶瓷材料在高温环境下有广泛的应用，比如航空航天领域的热屏障涂层、高温陶瓷窑炉等。
导热性和电绝缘性
陶瓷材料通常具有较高的绝缘性能，能够有效地阻止热量和电流的传导。
这使得陶瓷材料在电子元器件、绝缘材料等领域有着重要的应用。
同时，某些陶瓷材料也具有较好的导热性能，可用于制造散热元件等产品。
总的来说，陶瓷材料作为一类特殊的非金属材料，具有独特的力学性能特点。
在工程应用中，我们需要充分了解和利用陶瓷材料的各项性能，同时也要注意其脆性等缺点，以确保其在各个领域中都能发挥最佳的作用。
1。
功能陶瓷的特点及应用
功能陶瓷的特点及应用功能陶瓷是指具有特定功能的陶瓷材料，它们通常具有特殊的物理、化学、电学和磁学性能，以及高温稳定性和耐腐蚀性。
以下将以电子陶瓷、磁性陶瓷、结构陶瓷和生物陶瓷为例，介绍功能陶瓷的特点及应用。
1. 电子陶瓷：电子陶瓷是一种应用于电子器件中的陶瓷材料，具有优异的电学特性和高温稳定性。
其特点包括高介电常数、低介电损耗、低热膨胀系数和优异的绝缘性能。
电子陶瓷主要应用于电容器、石英晶体谐振器、微波滤波器等电子元件中，广泛应用于通信、计算机和消费电子等领域。
2. 磁性陶瓷：磁性陶瓷是一种具有磁性的陶瓷材料，主要包括铁氧体陶瓷和硬质磁性材料。
磁性陶瓷具有优异的磁性能，如高磁导率、高剩磁和高矫顽力。
铁氧体陶瓷主要应用于电感器、传感器、磁记录材料等领域；硬质磁性材料则广泛应用于电机、发电机、转轴、磁磨粉等领域。
3. 结构陶瓷：结构陶瓷是一种具有优异力学性能的陶瓷材料，主要包括氧化铝、氮化硅和碳化硅等。
结构陶瓷具有高硬度、高强度、耐磨性和耐腐蚀性等特点，广泛应用于机械、航空航天、汽车和能源等领域。
例如，氧化铝陶瓷可用于制造切割工具、机械密封件和电子陶瓷等；氮化硅和碳化硅陶瓷则常用于制造高温热工装备和轴承等。
4. 生物陶瓷：生物陶瓷是一类用于医疗和生物工程的陶瓷材料，主要包括氧化锆、羟基磷灰石和氧化铝等。
生物陶瓷具有良好的生物相容性、化学稳定性和力学性能，可用于制造人工骨骼、牙科修复材料、植入器件等。
例如，氧化锆陶瓷可用于制作人工关节和牙科修复材料，羟基磷灰石陶瓷则可用于骨修复和植骨。
总结起来，功能陶瓷具有特定的物理、化学和电学性能，以及高温稳定性和耐腐蚀性。
它们在电子、磁性、结构和生物领域都具有重要的应用价值，广泛用于电子器件、磁性材料、机械装备、医疗器械等各个领域。
随着科技的发展，功能陶瓷的研究和应用将进一步得到拓展，为各行各业的发展提供新的可能性。
陶瓷材料-3-结构陶瓷
当从高温冷却到四方相转变温度，由于存在相变滞后现象， 大约要在1050oC左右，即偏低100oC，才由四方相转变为单斜 相，这一转变为马氏体相变。
②氧化锆陶瓷
由于氧化锆的三种不同晶型间存在密度差，升降温过程伴 随着相变，产生较大的体积变化。如四方氧化锆与单斜氧化 锆之间的转变伴随有7%～9%的体积变化。
具备多种相变的陶瓷材料，很难抵抗热冲击
①氧化铝陶瓷
普通氧化铝陶瓷：
是以Al2O3为主要成份的陶瓷。按Al2O3 含量不同可分为99瓷、 95瓷、 90瓷、 85瓷 。有时也将Al2O3 含量为80 wt.%和75 wt.%也列入普通氧化铝陶瓷。
99氧化铝陶瓷常用作坩埚、耐火炉管及特殊用途的耐磨材料 如轴承、密封件、水阀片等； 95氧化铝陶瓷主要用作各种要求中等的耐腐蚀、耐磨部件； 85氧化铝陶瓷组份中通常加入部分滑石，形成与硅酸镁共溶 所组成的以刚玉瓷为主晶相的高铝瓷。是电真空装臵器件中 采用最广泛的瓷料。
ZrO2
1700
MgO作为助烧剂的作用机制 MgO的作用与其加入量有关：
当加入量不超过MgO在Al2O3中的固溶度（<0.3wt%）时， 固溶反应： 2MgO →2MgAl '+2O0x+V0••
生成氧空位，有利于氧的固相扩散传质，从而促进烧结
当MgO的加入量大于固溶度时，未溶解部分与Al2O3反应： MgO +Al2O3→MgO•Al2O3(尖晶石) 尖晶石是新的化合物。尖晶石颗粒分布于Al 2O3主晶相的 晶界上，阻碍晶界移动（称之为钉扎晶界），从而阻碍由于 晶界移动过快导致的气孔进入晶粒内部的情形发生。 气孔在晶界上通过晶界扩散更容易排除。钉扎晶界的结果 还可以细化晶粒。
陶瓷结构件的作用和特点
陶瓷结构件的作用和特点陶瓷结构件是一种广泛应用于各种机械设备中的零部件，其主要作用是支撑和固定机械设备的各个部件，同时还能够承受一定的载荷和振动。
与传统的金属结构件相比，陶瓷结构件具有许多独特的特点，下面将从材料、制造工艺和应用等方面进行详细介绍。
一、材料特点陶瓷结构件的主要材料是氧化铝、氧化锆等高温陶瓷材料，这些材料具有高硬度、高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性等特点。
此外，陶瓷材料还具有良好的绝缘性能和耐高温性能，能够在高温、高压、强酸、强碱等恶劣环境下长期稳定运行。
二、制造工艺特点陶瓷结构件的制造工艺主要包括注塑成型、压制成型、烧结等工艺。
其中，注塑成型是一种常用的工艺，可以生产出形状复杂、精度高的陶瓷结构件。
压制成型则适用于生产大批量的简单形状的陶瓷结构件。
烧结是陶瓷结构件制造的最后一道工序，通过高温烧结可以使陶瓷材料达到最终的硬度和强度。
三、应用特点陶瓷结构件广泛应用于各种机械设备中，如汽车发动机、航空发动机、石油钻机、化工设备等。
其主要应用特点包括：1.高强度：陶瓷结构件具有高硬度、高强度的特点，能够承受较大的载荷和振动。
2.耐磨性好：陶瓷结构件表面光滑，摩擦系数小，能够有效减少机械设备的磨损。
3.耐腐蚀性好：陶瓷结构件能够在强酸、强碱等恶劣环境下长期稳定运行。
4.绝缘性能好：陶瓷结构件具有良好的绝缘性能，能够有效防止机械设备的漏电。
5.耐高温性能好：陶瓷结构件能够在高温环境下长期稳定运行，适用于高温、高压的机械设备中。
综上所述，陶瓷结构件具有高强度、耐磨、耐腐蚀、绝缘、耐高温等特点，广泛应用于各种机械设备中。
随着科技的不断发展，陶瓷结构件的应用范围将会越来越广泛，成为机械制造业的重要组成部分。
氮化硅陶瓷材料
氮化硅陶瓷材料Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】摘要氮化硅陶瓷是一种具有广阔发展前景的高温、高强度结构陶瓷，它具有强度高、抗热震稳定性好、疲劳韧性高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性能好等高性能，已被广泛应用于各行各业。
本文介绍了氮化硅陶瓷的基本性质，综述了氮化硅陶瓷的制备工艺和国内外现代制造业中的应用，并展望了氮化硅陶瓷的发展前景。
Abtract：Silicon nitride ceramic is a broad development prospects of high temperature, high strength structural ceramics, it has high strength, thermal shock stability, high temperature fatigue toughness, high bending strength, wear resistance, oxidation resistance,corrosion resistance and good performance of high performance, has been widely used in all walks of life. This paper introduces thebasic properties of silicon nitride ceramics, reviews the fabricating technique of silicon nitride ceramics at home and abroad and modern manufacturing industry in the application, and looks forward to the development prospect of silicon nitride ceramics.氮化硅陶瓷材料关键词氮化硅陶瓷性能制备工艺应用Key words properties of silicon nitride ceramic preparation process and Application1.前言随着现代科学技术的发展，各种零部件的使用条件愈加苛刻（如高温、强腐蚀等），对新材料的研究和应用提出了更高的要求，传统的金属材料由于自身耐高温、抗腐蚀性能差等弱点已难以满足科技日益发展对材料性能的要求，现亟待开发新材料。
高温结构陶瓷
高温结构陶瓷摘要：高温结构陶瓷（high temperature structural ceramics），用于某种装置、或设备、或结构物中，能在高温条件下承受静态或动态的机械负荷的陶瓷。
具有高熔点，较高的高温强度和较小的高温蠕变性能，以及较好的耐热震性、抗腐蚀、抗氧化和结构稳定性等。
高温结构陶瓷包括高温氧化物和高温非氧化物（或称难熔化合物）两大类。
在材料中，有一类叫结构材料主要制利用其强度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。
金属作为结构材料，一直被广泛使用。
但是，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。
高温结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。
这类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适合。
关键词：高温结构陶瓷膨胀系数生产与应用高温结构陶瓷的分类主要有以下几种：氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化锆陶瓷、刚玉、等。
§1.1氮化硅陶瓷1．1．1 定义与性能氮化硅陶瓷是一种烧结时不收缩的无机材料。
他是氮和硅的唯一化合物，他有两种变体：α—Si3N4和β—Si3N4,均属六方晶系，在20～1000℃线性膨胀系数为2.75×10-6℃-1。
是很好的介电体。
具有较高的机械强度，特别是在高温下仍保持一定强度。
对酸、水蒸气和许多金属熔体（Al、Pb、Zn、等）的作用都是稳定的。
抗氧化能力较强，摩擦系数低，硬度高。
1．1．2 工艺方法它是用硅粉作原料，先用通常成型的方法做成所需的形状，在氮气中及１２００℃的高温下进行初步氮化，使其中一部分硅粉与氮反应生成氮化硅，这时整个坯体已经具有一定的强度。
然后在１３５０℃～１４５０℃的高温炉中进行第二次氮化，反应成氮化硅。
用热压烧结法可制得达到理论密度９９％的氮化硅。
反应方程式：3Si+2N2→Si3N41．反应烧结生产Si3N4采用一级结晶硅块，在球磨中湿磨，酒精作研磨介质，磨至小于０.０７ｍｍ。
氮化硅
氮化硅氮化硅，分子式为Si3N4,是一种重要的结构陶瓷材料。
它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损；除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应(反应方程式：Si3N4+4HF+9H2O=====3H2SiO3(沉淀)+4NH4F），抗腐蚀能力强，高温时抗氧化。
而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1 000 ℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。
正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。
如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量，节省燃料，而且能够提高热效率。
我国及美国、日本等国家都已研制出了这种柴油机。
【氮化硅的应用】氮化硅用做高级耐火材料，如与sic结合作SI3N4-SIC耐火材料用于高炉炉身等部位；如与BN结合作SI3N4-BN材料，用于水平连铸分离环。
SI3N4-BN系水平连铸分离环是一种细结构陶瓷材料，结构均匀，具有高的机械强度。
耐热冲击性好，又不会被钢液湿润，符合连珠的工艺要求。
见下表性能AL2O3ZrO2熔融石英（SiO2）ZrO2 -MO金属陶瓷反应结合Si3N4热压Si3N4热压BN反应结合SiN4-BN抗热震性差差好好中好好好抗热应力差差好好中好好好尺寸加工精度与易加工性能差差好差好差好好耐磨性好好中好好好好好耐侵蚀性好好差好好好好相对分子质量140.28。
灰色、白色或灰白色。
六方晶系。
晶体呈六面体。
密度3.44。
硬度9~9.5，努氏硬度约为2200，显微硬度为32630MPa。
熔点1900℃（加压下）。
通常在常压下1900℃分解。
比热容为0.71J/(g·K)。
生成热为-751.57kJ/mol。
热导率为16.7W/(m·K)。
线膨胀系数为2.75×10-6/℃(20~1000℃)。
不溶于水。
溶于氢氟酸。
在空气中开始氧化的温度1300~1400℃。
氮化硅
氮化硅1.氮化硅的特点：是一种重要的结构陶瓷材料。
它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。
而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1 000 ℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。
2.氮化硅的应用：氮化硅适合做高级耐火材料，氮化硅陶瓷材料具有热稳定性高、抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高等优良性能。
由于氮化硅是键强高的共价化合物，并在空气中能形成氧化物保护膜，所以还具有良好的化学稳定性，1200℃以下不被氧化，1200~1600℃生成保护膜可防止进一步氧化，并且不被铝、铅、锡、银、黄铜、镍等很多种熔融金属或合金所浸润或腐蚀，但能被镁、镍铬合金、不锈钢等熔液所腐蚀。
氮化硅陶瓷材料可用于高温工程的部件，冶金工业等方面的高级耐火材料化工工业中抗腐蚀部件和密封部件，机械加工工业刀具和刃具等。
由于氮化硅与碳化硅、氧化铝、二氧化钍等能形成很强的结合，所以可用作结合材料，以不同配比进行改性。
此外，氮化硅还能应用到薄膜太阳能电池中。
用PECVD法镀氮化硅膜后，不但能作为减反射膜可减小入射光的反射，而且，在氮化硅薄膜的沉积过程中，反应产物氢原子进入氮化硅薄膜以及硅片内，起到了钝化缺陷的作用。
3 氮化硅制品的生产工艺：氮化硅制品按工艺可以分为反应烧结制品、热压制品、常压烧结制品、等静压烧结制品和反应重烧制品等。
其中，反应烧结是一种常用的生产氮化硅耐火制品的方法。
反应烧结法生产氮化硅制品是将磨细的硅粉（粒度一般小于80μm），用机压或等静压成型，坯体干燥后，在氮气中加热至1350～1400℃，在烧成过程中同时氮化而制得。
采用这种生产方法，原料条件和烧成工艺及气氛条件对制品的性能有很大的影响。
硅粉中含有许多杂质，如Fe，Ca，Aì，Ti等。
Fe被认为是反应过程中的催化剂。
它能促进硅的扩散，但同时，也将造成气孔等缺陷。
Fe作为添加剂的主要作用：在反应过程中可作催化剂，促使制品表面生成SiO2氧化膜；形成铁硅熔系，氮溶解在液态FeSi2中，促进β-Si3N4的生成。
碳化硅陶瓷强度
碳化硅陶瓷强度
碳化硅陶瓷具有非常高的强度。
其强度主要取决于材料的结构和制备工艺等因素。
碳化硅陶瓷的晶体结构稳定，具有非常高的硬度和抗拉强度。
一般来说，碳化硅陶瓷的硬度在摩氏硬度中可达到9-9.5级，比许多传统材料如金属和玻璃等要硬得多。
同时，碳化硅陶瓷的抗弯强度也很高，通常在300-700 MPa之间。
此外，碳化硅陶瓷还具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
它能够在高温、高压和酸碱等恶劣环境下保持良好的性能，因此被广泛应用于摩擦材料、切割工具、机械零件等领域。
总的来说，碳化硅陶瓷是一种具有优异强度的材料，具有很高的抗拉强度和硬度，能够在各种恶劣环境下保持稳定性能。
陶瓷材料的力学性能
工程陶瓷材料的塑性、韧性值比金属材料低得多， 对缺陷十分敏感，因而其力学性能数据的分散性 大，强度可靠性较差，常用韦伯模数表征其强度 均匀性。 工程陶瓷材料的制备技术、气孔、夹杂物、晶界、 晶粒结构均匀性等因素对其力学性能有显著影响， 因此，在讨论工程陶瓷的力学性能前，应首先了 解这种材料的组成和结构特点。
核电站：能耐2000℃高温
[耐温能力：900℃ →1200~1300℃
发动机 热效率：30%→50% 重量 ↓20% 耗油量 ↓ 30%
由此可见，工程陶瓷材料较好地适应了 近代科学技术发展的需要，具有广阔的应用 前景。目前在机械、冶金、化工、纺织等行 业中，用工程陶瓷材料制作耐高温、耐磨损、 耐腐蚀的零部件越来越多。
14
如图10-2所示，陶瓷在压缩加载时，其σ-ε曲 线斜率比拉伸时的大，此与陶瓷材料复杂的 显微结构和不均匀性有关。从该图中还可看 出，陶瓷材料的抗压强度值比其抗拉强度值 大得多。这是由于材料中的缺陷对拉应力十 分敏感所致。在工程应用中，选用陶瓷材料 时要充分注意这一特点。
15
§10.2.2 陶瓷材料的塑性变形
27
由表10-4可见，陶瓷材料的抗压强度远大于其抗拉强 度，两者相差10倍左右，因而陶瓷材料特别适于制造受压 缩载荷作用的零件。压缩试样尺寸为直径9.0±0.05mm，长 度18±0.10mm，两端面研磨成平面并互相平行。
表10－4 某些材料的抗拉强度和抗压强度
材料
抗拉强度/MPa 抗压强度/MPa 抗拉强度/抗压强度
这是由其共价键和离子键的键合结构所决 定的。
共价键具有方向性，使晶体具有较高的抗 晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。离子键晶 体结构的键方向性虽不明显，但滑移系受原 子密排面与原子密排方向的限制，还受静电 作用力的限制，其实际可动滑移系较少。此 外，陶瓷材料都是多元化合物，晶体结构较 复杂，点阵常数较金属晶体大，因而陶瓷材 料中位错运动很困难。 (见表10-2)
氮化硅陶瓷概述
总结词
氮化硅陶瓷在航空航天领域中主要用于制造高温部件和结构 件，如燃烧室、喷嘴、涡轮等。
详细描述
由于氮化硅陶瓷具有出色的高温稳定性和抗氧化性能，因此 在航空航天领域中广泛应用于制造各种高温部件和结构件。 例如，氮化硅陶瓷燃烧室能够承受极高的温度和压力，从而 提高航空发动机的效率和可靠性。
汽车工业
总结词
氮化硅陶瓷概述
目 录
• 氮化硅陶瓷的定义与特性 • 氮化硅陶瓷的制备方法 • 氮化硅陶瓷的应用领域 • 氮化硅陶瓷的发展前景与挑战
01 氮化硅陶瓷的定义与特性
定义
01
氮化硅陶瓷是一种无机非金属材 料，由硅和氮元素以化学键结合 而成。
02
它具有高硬度、高强度、低热膨 胀系数等特点，被广泛应用于高 温、耐磨、耐腐蚀等极端环境下 的应用。
物理特性
01
02
03பைடு நூலகம்
高硬度
氮化硅陶瓷的硬度仅次于 金刚石和碳化硅，具有极 佳的耐磨性和耐划痕性。
高温稳定性
在高温下仍能保持优良的 力学性能和稳定性，可在 高达1200℃以上的高温环 境下长期使用。
低热膨胀系数
氮化硅陶瓷的热膨胀系数 接近于零，因此具有优良 的热稳定性，能够适应温 度变化较大的工作环境。
面临的挑战
高成本
氮化硅陶瓷的制备工艺复 杂，成本较高，限制了其 在一些领域的广泛应用。
性能稳定性
氮化硅陶瓷的力学性能和 热稳定性有待进一步提高， 以满足某些极端条件下的 应用需求。
生产规模
目前氮化硅陶瓷的生产规 模相对较小，难以满足大 规模市场需求，需要进一 步扩大生产规模。
未来研究方向
性能提升
溶胶-凝胶法
总结词
新型陶瓷材料在陶瓷行业中的应用
新型陶瓷材料在陶瓷行业中的应用新型陶瓷材料在陶瓷行业中的应用引言：陶瓷是一种古老而又广泛应用的材料，其主要成分为氧化物和非氧化物。
不过，随着科学技术的进步，新型陶瓷材料的发展与应用也越来越受到人们的关注。
新型陶瓷材料具有许多传统陶瓷所不具备的特点，如高强度、高硬度、高耐磨、高熔点等，因此在各个领域得到了广泛的应用。
一、结构陶瓷结构陶瓷是一种稳定的陶瓷材料，其特点是具有高硬度、耐磨、耐腐蚀、高熔点等优点，常用于高温、高压、高强度的工作环境。
1.1 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷是一种高性能陶瓷材料，具有高强度、高硬度、高耐磨、高熔点等特点。
它在医疗器械、氧化锆球磨介质、蓄电池、制冷空调、电子元器件、化工机械、航空航天等领域有着广泛的应用。
例如，氧化锆陶瓷在医疗器械中被用作人工髋关节、人工牙和人工心脏阀等，因其高强度和生物相容性，能够提供高品质的医疗服务。
1.2 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷是目前知道的最先进的陶瓷材料之一，具有高硬度、耐腐蚀、高熔点等特点。
它可用于制造高温炉具、红外线窗口、刀片、抛光材料和砂浆等。
碳化硅陶瓷在航空航天领域中的应用也日益重要，如航空发动机中的高温热力转换装置和喷气燃烧器等。
二、功能陶瓷功能陶瓷是一类在结构陶瓷性能基础上，加入某些特定元素，使得陶瓷具有特定的物理、化学或生物功能的陶瓷材料。
2.1 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷具有良好的绝缘性能、高硬度、耐磨、耐腐蚀等特点，被广泛应用于电子、石油、冶金、化工等行业。
例如，在电子元件制造中，氧化铝陶瓷常用于制造基板、电子管、放大器等器件。
而在化工行业，氧化铝陶瓷被用于制造酸碱泵、管道等耐腐蚀设备。
2.2 兰州陶瓷兰州陶瓷是一种特殊的功能陶瓷材料，其由高纯度的氧化物和非氧化物组成，具有优良的电学性能和机械性能。
它可以制成各种电子元件，如陶瓷电容器、陶瓷热电偶、陶瓷电阻器等。
兰州陶瓷还广泛应用于红外线窗口、陶瓷粉末冶金、传感器和天线等领域。
三、生物陶瓷生物陶瓷是一种用于人体组织修复和替代的材料，具有优良的生物相容性和生物活性。
碳化硅基本特性及碳化硅陶瓷烧结工艺
碳化硅基本特性及碳化硅陶瓷烧结工艺2015 月 01 月 26 日 发布 分类：粉体应用技术 点击量：1116碳化硅陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳 、热膨 胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，在汽车、机械化工、环境保 护、 空间技术、 信息电子 、能源等领域有着日益广泛的应用，已经成为一种在很多工业领域 性能优异的其他材料不可替代的结构陶瓷。
现代国防、核能和空间技术以及汽车工业、海洋工程的迅速发展, 对火箭燃烧室内衬、飞 机涡轮发动机叶片、核反应堆结构部件、高速气动轴承和机械密封零件等材料的要求愈来愈 高, 迫切需要开发各种新型高性能结构材料。
SiC 陶瓷在石油化学工业中已被广泛地用作各种 耐腐蚀用容器及管道在机械工业中已被成功地用作各种轴承、 切削刀具和机械密封部件在航天 和汽车工业中也被认为是未来制造燃气轮机、火箭喷嘴和发动机部件的最有希望的候选材料。
1、碳化硅的基本特性化学属性抗化合性： 碳化硅材料在氧气中反应温度达到 1300℃时， 在其碳化硅晶体表层已经生成 二氧化硅保护层。
随着保护层的加厚，抵制了里面碳化硅继续被化合，这使碳化硅有较好的抗 化合性。
当气温达到 1900K(1627℃)以上时，二氧化硅保护膜已经被破坏，碳化硅化合效应 加重，从而 1900K 是碳化硅在氧化剂氛围下的最高工作气温。
耐酸碱性：在耐酸、碱及化合物的效用方面，因为二氧化硅保护膜的效用，碳化硅的抗 酸能力非常非常强，抗碱性稍差。
物理性能密度：各样碳化硅晶形的颗粒密度十分相近，通常情况下，应该是 3.20 g/mm³ ，其碳 化硅磨料的堆砌密度在 1.2--1.6 g/mm³ 之间，其高矮取决于其粒度号、粒度合成和颗粒形 状的大小。
硬度： 碳化硅的硬度为：莫氏 9.5 级。
单晶硅的硬度为：莫氏 7 级。
多晶硅的硬度为： 莫氏 7 级。
都是硬度相对较高的物料。
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超强、超硬、耐高温结构陶瓷材料结构与性能摘要结构陶瓷材料具有超强、超硬、耐高温等性能，在许多应用领域有着金属等其它材料不可替代的地。
本文通过查阅相关文献，阐述了结构陶瓷材料的结构，综述了结构陶瓷材料的结构及其性能特点,为今后陶瓷的发展提供了可靠的前景。
关键词：结构陶瓷，结构性能引言：构陶瓷是陶瓷材料的重要分支，它以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。
从第一艘宇宙飞船即开始使用高温与低温的隔热瓦，碳-石英复合烧蚀材料已成功地应用于发射和回收人造地球卫星。
未来空间技术的发展将更加依赖于新型结构材料的应用，在这方面结构陶瓷尤其是陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料远远优于其他材料。
即在冶金、宇航、能源、机械、光学等领域有重要的应用,因此具有超强、超硬、耐高温的结构陶瓷材料成为了人们关注的热点。
2.结构陶瓷的定义及分类结构陶瓷是指用于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学相生物等功能的高性能陶瓷。
结构陶瓷若按使用领域进行分类可分为：（1）机械陶瓷；（2）热机陶瓷；（3）生物陶瓷；（4）核陶瓷及其它若按化学成分分类可分为：（1）氧化物陶瓷(Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、TiO2、ThO2、UO2)；（2）氮化物陶瓷(Si3N4、赛龙陶瓷、AlN、BN、TiN)；（3）碳化物陶瓷(SiC、B4C、ZrC、TiC、WC、TaC、NbC、Cr3C2)；（4）硼化物陶瓷(ZrB、TiB2、HfB2、LaB2等)；（5）其它结构陶瓷(莫来石陶瓷、MoSi 陶瓷、硫化物陶瓷以及复合陶瓷等)。
本文就从化学成分分析氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、复合陶瓷等来分析。
2.1氧化物陶瓷2.1.1 Al2O3陶瓷AI2O3陶瓷类型的结构与性能氧化铝陶瓷是一种以α- AI2O3为主晶的陶瓷材料。
氧化铝的含量在75%左右称为“75瓷”，含量在85%左右称作“85瓷”，含量在99%左右称作“99瓷”。
含量在99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。
Al2O3主要有三种晶型结构，即α-Al2O3，β-Al2O3，γ- Al2O3。
Al2O3晶型转化关系如图1所示。
α-Al2O3属三方晶系，2050℃熔化前稳定，β-Al2O3：是一种氧化铝含量高的的铝酸盐矿物，γ-Al2O3：属尖晶石型结构（立方）。
后两种在温度高于1600℃时全部转化为α-Al2O3，a-Al2O3为高温稳定相，工业上使用最多。
其结构不同，性质也不同，在1300℃以上的高温几乎完全转变为α- AI2O3。
α- AI2O3属六方晶系其单位晶胞是一个尖的棱面体，氧离子近似于六方紧密排列，Al3+占据2/3的八面体空隙。
α- AI2O3是自然界中唯一存在的AI2O3变体，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。
α- AI2O3是所有AI2O3变体中结构最紧密，活性最低，电学性质最好的晶相，在所有温度下都是稳定的，其它变体当温度达到1000～1600℃时都不可能逆地转变为α- AI2O3。
图1 Al2O3晶型转化关系图2 α-Al2O3结构示意图γ-Al2O3属立方晶系, 尖晶石型结构，氧离子形成立方密堆积，Al3+填充在间隙中。
γ-Al2O3的密度小，且高温下不稳定，加热到1100－1200℃时，缓慢转变成α-Al2O3，到1450℃时这一过程才完成。
伴随着放热32.8KJ/mol，体积收缩14.3%。
由于γ-Al2O3是松散结构，机电性能差，可以用它来做多孔材料。
自然界没有发现γ-Al2O3，它一般是由含水的Al2O3矿物（Al2O3·H2O或Al2O3·3H2O）经加热而成。
Al2O3陶瓷的性能及用途1）高强度、高温稳定性：装饰瓷如图4，喷嘴如图3、火箭、导弹的导流罩；图3 Al2O3陶瓷喷嘴2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石如图5；图4 Al2O3陶瓷装饰瓷图5 Al2O3人造宝石3）熔点高、抗腐蚀，耐火材料，坩埚如图6，炉管，热电偶保护套等；图6 Al2O3陶瓷坩埚图7 太阳能电池4）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料如图7等。
5）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节如图8等。
6）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座。
7）透光、透波性应用：新型节能灯具金卤灯如图9。
图8 人造关节图9新型节能灯具金卤灯图11 Al2O3陶瓷的制备工艺流程图Al2O3陶瓷的制备工艺预烧与晶型转变：Al2O3生产中预烧具有以下作用：①使γ- Al2O3转变为稳定的α- Al2O3。
这样制品在烧成时的线收缩可以从22%降低为14%，或者体积收缩从53%降低为37%。
②煅烧后的Al2O3可能形成极细小的α- Al2O3单晶颗粒。
③球状Al2O3的脆性提高，易于研磨。
④预烧还可以排除原料中的杂质Na2O，提高原料的纯度，从而提高产品的性能。
2.1.3 氧化铍陶瓷BeO晶体为无色，熔化温度范围为2530-2570℃，为六方形晶体结构结构稳定，无晶形转变如图10，密度为3.03 g/cm3，莫氏硬度9，高温蒸气压和蒸发速度比较低。
在真空中可在1800℃长期使用，在惰性气体中可在2000℃下使用，在氧化气氛中，1800℃时有明显挥发。
图10 氧化铍结构图氧化铍陶瓷(BeO)因其具有高热导率、高熔点(2530±10℃)、高强度、高绝缘性、高的化学和热稳定性、低介电常数、低介质损耗以及良好的工艺适应性等特点,在特种冶金、真空电子技术、核技术、微电子与光电子技术领域得到广泛应用。
尤其是在大功率半导体器件、集成电路、微波电真空器件及核反应堆中，BeO一直是制备高导热元部件的主流陶瓷材料。
核技术材料：BeO具有高的中子散射截面,可以将核反应堆中泄露出来的中子反射回反应堆内,因而已经被广泛用作原子反应堆中的中子减速剂(反射器)和防辐射材料如图11。
此外BeO优异的热、红外光学性能及热激发射特性,使其适合用于热荧光、外电子发射和电子顺磁共振剂量计中的探头。
图11核反应堆的热交换器图12 氧化铍瓷导热系数测定真空和电子材料：高的热导率和低的介电常数是BeO材料在真空和电子技术领域得到广泛应用重要原因。
BeO陶瓷目前已用于高性能、高功率微波封装，BeO基片也已用于高电路密度的多片组件如图12。
采用BeO材料可以将系统中产生的热量及时地散去,保证系统的稳定性和可靠性。
图13快速热电偶及测温枪BeO陶瓷还广泛用于宽带大功率的电真空器件中,如行波管的输能窗、夹持杆和降压收集极。
低的介电常数和损耗有利于获得很好的宽频匹配特性,同时也可减少功率损失。
高的导热率可以将大功率器件中产生的热量及时地传导出去如图13,从而能够保证器件的稳定性和可靠性。
氧化铍陶瓷制备由于杂质对氧化铍陶瓷性能具有很大影响，因此需要制取高纯的氧化铍粉体。
制备时以国产工业级氧化铍粉体为主原料，经物理除杂后，用酸溶解配制成铍盐水溶液。
采用多次连续化学除杂工序去除溶液中所含W、Nb、Fe、Pb等20多种杂质元素，再经沉淀及煅烧制得平均粒径为20nm、氧化铍纯度达99.18%以上的无强团聚的近球形粒子氧化铍粉体。
氧化铍陶瓷的制备一般分为冷压烧结和热压烧结。
添加质量分数为1%以下的MgO、TiO2、Fe2O3可以促进氧化铍的烧结。
冷压在100MPa下进行，压坯在1800℃下烧结10min，密度可达2.65g/cm3。
热压压力1.4MPa，温度1800℃，时间10min，密度达2.96g/cm32.1.4 氧化锆陶瓷ZrO2是由含锆矿石提炼出来的。
较纯的ZrO2粉呈黄色或灰色。
高纯的ZrO2粉呈白色。
但常含二氧化铪杂质，二者化学性质相似，不易分离，它们对材料的电性能影响也相似。
它具有：（1）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于高温绝缘材料、耐火材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等;（2）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具、模具、剪刀如图14、高尔夫球棍头如图15等;（3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头如图16假牙如图17等。
图14 ZrO 2剪刀 图15 ZrO 2高尔夫球棍1图16 ZrO 2钢液测氧探头 图17 ZrO 2假牙ZrO 2密度为5.49 g/cm3，熔点为2715℃。
在不同温度下，ZrO2以三种同质异形体存在，即立方晶系，单斜晶系，四方晶系。
三种晶型的ZrO2密度为:单斜型为5.65 g/cm3，四方型为6.10 g/cm3，立方型为6.27 g/cm3。
晶型转变纯ZrO 2烧结冷却时发生的ｔ→ｍ相变为无扩散相变，伴随产生约７％的体积膨胀和相当大的剪切应变（约８％）；相反，在加热时，由ｍ→ｔ相变，体积收缩。
在萤石结构如图18中为了形成稳定的八配面体结构，晶体中的阳离子半径与阴离子半径的比值应大于0.732，而锆氧离子半径比为0.564。
图18 萤石(fluori)结构当ZrO2中稳定剂加入量在某一范围时，高温稳定的c-ZrO2通过适当温度下时效处理使c-ZrO2大晶粒（c 相）中析出许多细小纺锤状的t-ZrO2（t 相）晶粒，形成 c 相和t相组成的双相组织结构。
其中c 相是稳定的而t相是亚稳定的并一直保存到室温。
在外力诱导下有可能诱发t 相到m 相的马氏体相变并伴随体积膨胀，耗散部分能量、抵消了部分外力从而起到增韧作用，称为应力诱导相变增韧。
这种陶瓷称之为部分稳定氧化锆(partially stabilized zirconia，PSZ)，当稳定剂为CaO、MgO、Y2O3时，分别表示为Ca-PSZ、Mg-PSZ、Y-PSZ 等。
当ZrO2中稳定剂加入量控制在适当量时可以使t-ZrO2以亚稳状态稳定保存到室温，那么块体氧化锆陶瓷的组织结构是亚稳的t- ZrO2细晶组成的四方氧化锆多晶体称之为四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonal zirconia polycrystal，TZP)。
在外力作用下可相变t-ZrO2发生相变，增韧不可相变的ZrO2基体，使陶瓷整体的断裂韧性改善。
当加入的稳定剂是Y2O3、CeO2，则分别表示为Y-TZP、Ce-TZP等。
氧化锆陶瓷的制备：ZrO2陶瓷成型可采用注浆法或干压法成型。
注浆成型时，可向ZrO2细粉中加入少量的阿拉伯树胶和20％左右蒸馏水，具有良好的注浆性能浆料用热压法可制得透明ZrO2陶瓷。
粉料中粗颗粒多，则体积收缩小，细颗粒多则产品致密度高，烧成温度为1650-1800℃，保温2～4小时。
2.1.2氧化镁陶瓷MgO陶瓷是以MgO为主要成分的陶瓷，主晶相MgO，属立方晶系氯化钠结构，熔点2800℃，理论密度为3.58 g/cm3。